Пластинчатый теплообменник

Введение

    Теплообменные аппараты различных конструкций широко применяют в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

     Наиболее прогрессивными  в настоящее время являются  пластинчатые и пластинчато-ребристые  теплообменные аппараты. Узлы и детали их полностью унифицированы, а основные рабочие части изготавливают штамповкой и сваркой. Все это создает возможности экономичного массового изготовления таких аппаратов при минимальной металлоемкости.

     Требования к промышленным  теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразно. Основными из них являются: обеспечения наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материалов на единицу тепловой производительности аппаратов; надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью к поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнений; унификация узлов и деталей и технологичностью механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур и.т.д

    Из- за большого  разнообразия разнообразия требований к теплообменным аппаратам, изменяющихся в конкретных условия эксплуатации, экономически невыгодно, а часто и вообще невозможно ограничиться какой-либо одной конструкцией теплообменников.

    Теплообменные аппараты  пластинчатого и спирального  типов во многих случаях наиболее  эффективно удовлетворяют потребности  разнообразных производств.

    По способу передачи тепла теплообменные аппараты можно разделить на две основные группы: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения.

    В поверхностных теплообменных  аппаратах передача тепла от  одной среды к другой происходит  обычно через металлическую стенку, которую условно принято называть поверхностью теплообмена.

В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного соединения и перемешивания сред, что, очевидно, допустимо лишь при определенных условиях, значительно ограничивающих применение аппаратов такого типа.

    Учитывая большой диапазон  температур и давлений рабочих  сред, а также разнообразие их  свойств при различных параметрах  тепловой обработки, определяются  следующие основные требования, которым должны удовлетворять современные теплообменные аппараты.

1. Аппарат должен обеспечивать передачу требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможности большей интенсивности теплообмена.
2. При заданных термодинамических параметрах рабочих сред (давлениях, температурах, объемах) и при различном агрегатном состоянии аппарат должен быть работоспособным и достаточно надежным в работе.
3. Аппарат должен работать стабильно при изменении в процессе теплообмена физических свойств рабочей среды: ее вязкость, плотность, теплопроводности, фазовое состояние и т. д.
4. Поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, должны обладать достаточной химической стойкостью к агрессивному воздействию ее.
5. Для сохранения продолжительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке загрязненной среды или среды, выделяющей отложения на стенках, в конструкции аппарата должна быть предусмотрена возможность осмотра поверхностей теплообмена и доступность их для периодической очистки.

 

 

 

 

 

 

6. Аппарат должен обладать достаточным запасом прочности, гарантирующим его безопасное состояние при напряжениях, возникающих как в результате давления рабочей среды, так и в следствие температурных деформаций различных частей теплообменника.
7. При данной тепловой нагрузке и других рабочих параметрах  должен иметь возможно меньшие габариты и возможно меньшую удельную металлоемкость.

     Процесс теплообмена  является сложным физическим  процессом, зависящим от многих факторов. При заданных значениях поверхности теплообмена аппарата и температурном напоре интенсивность процесса характеризуется коэффициентом теплопередачи, который для плоской стенки определяется формулой:

,

где α1 – коэффициент теплоотдачи от горячей среды к стенке; 1/α1 -  термическое сопротивление теплоотдаче от горячей среды к стенке;

δ – толщина стенки ( или слоя осадка); λ- коэффициент теплопроводности стенки (или слоя осадка); ∑δ/λ – термическое сопротивление стенки с учетом отложений на ней; α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной среде; 1/α2 – термическое сопротивление теплоотдачи от стенки к холодной среде.

     Коэффициент теплопередачи  всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а также с увеличением толщины слоев отложений на ней.

     Если своевременно  не очищать поверхность теплообмена  от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится и  технологический режим нарушится.

     По назначению различают  следующие теплообменные аппараты:

а) Для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей среды (нагревание, охлаждение);

б)  Для проведения теплопередачи с изменением агрегатного состояния рабочих сред (испарители, конденсаторы);

в) Для одновременного проведения технологического процесса и теплопередачи (реакторы, абсорберы, теплообменники встроенные в установки).

     По роду рабочих сред различают теплообменники:

1. паро-жидкостные;
2. жидкостно-жидкостные;
3. газо-жидкостные;
4. газо-газовые.

   По взаимному направлению  движению рабочих сред различают  теплообменники:

а) прямоточные, в которых обе среды движутся в одном направлении;

б) противоточные, в которых обе среды движутся в противоположные направления;

в) перекрестного тока, в которых обе рабочие среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях;

г) смешанного тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных сочетаниях (прямоток и противоток).

    По характеру температурного режима в теплообменных аппаратах различают:

1. аппараты с установившемся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена с течением времени не изменяется; такие аппараты называют теплообменными непрерывного действия;
2. аппараты с неустановившемся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена изменяется с течением времени; такие аппараты называются теплообменными аппаратами периодического действия.

   Определяющей особенностью  устройств пластинчатых теплообменных аппаратов

 

является конструкция и форма поверхности теплообмена и клапанов для рабочей среды. Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи. Формы пластин и профили их поверхности очень разнообразны, а конструкции довольно сложны и иногда мало похожи на пластины, поэтому название «пластина» строго говоря, по отношению к некоторым конструктивным формам должно рассматриваться как условное.

    Пластины располагаются  параллельно друг другу, причем  между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению.

      На основание общего  принципа конструирования пластинчатого  теплообменника можно сделать  заключение о некоторых его особенностях, весьма важных для практики. Малая толщина пластин и параллельная расстановка с малыми промежутками между пластинами позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно с такой «плотностью», которая недостижима в других типах жидкостных теплообменников. Это, в конечном счете, приводит к тому, что пластинчатые теплообменные аппараты обладают при равной тепловой нагрузке значительно меньшими габаритными размерами и металлоемкостью, сем аппараты типа «труба в трубе», кожухотрубчатые и другие, обладающие достаточно высокой эффективностью теплообмена.

    Конструкция пластин  определяет технические показатели  теплообменного аппарата. От формы, размеров и конструктивных особенностей  пластин зависят  интенсивность теплоотдачи, надежность аппарата, технологичность и трудоемкости его изготовления и эксплутационные данные.

    Пластина представляет  собой сложную деталь, несущую  на себе элементы различного  назначения: теплообменного, механического, гидромеханического, технологического в смысле изготовления и технологического в смысле выполнения аппаратом его производственной задачи.

     Особенности конструкций  пластины в целом обычно определяет  следующее:

1. конструкция гофр или профиль рабочей теплообменной стенки;
2. форма угловых отверстий для подвода и отвода рабочих сред и устройств для снижения гидравлического сопротивления участков входа и выхода;
3. уплотнительная система;
4. система подвески пластин на раме аппарата и фиксации положения пластин в пакете;
5. устройство для безопасности обслуживание пакета пластин при аварийном нарушение герметичности прокладок;
6. устройство вспомогательных конструктивных элементов пластины, повышающих жесткость собранной системы, способствующих технологичности изготовления, создающих удобства обслуживание ремонта ит.д.

     При широком распространении теплообменных аппаратов в промышленности даже небольшое усовершенствование их конструкций дает ощутимый экономический эффект.

      В настоящее время выпускаются такие пастеризационно-охладительные установки, как Б6-ОП2-Ф-1, ОПФ-1, А1-ОКЛ – 3, ОГМ-3 и другие. Бывают трубчатые и пластинчатые пастеризационно-охладительные установки.

      Охладитель-пастеризатор ОПФ-1 – фермерская автоматизированная установка, предназначенная для центробежной очистки, пастеризации и охлаждения молока.     

      Выпускается в двух модификациях. 
ОПФ-1-20 - для пастеризации молока здоровых коров при температуре 74 – 780С и выдержкой при этой температуре 20 с. 
ОПФ-1-300 - для пастеризации молока больных коров при температуре 90 – 940С и выдержкой в течение 300 с.

 

 

    

 

Технологическая схема пластинчатой пастеризационно-охладительной установки

 ОПФ-1:

I - первая секция регенерации; II- вторая секция регенерации; III- секция  пастеризации; IV- секция водяного  охлаждения; V- секция рассольного  охлаждения; 

 
1 – пластинчатый теплообменник; 2 – сепаратор-молокоочиститель; 3 – насос молочный;

4 – бак уравнительный; 5 – пульт  управления; 6 - выдерживатели; 7 – насос  водяной;

8 – бойлер; 9 – инжектор; 10 –  клапан перепускной. 

 

      Теплообменная трубчатая  установка предназначена для  быстрого нагрева молока, сливок, фруктовых соков и других пищевых жидкостей, схожих с ними по вязкости и химической активности в закрытом потоке и последующего охлаждения их после кратковременной выдержки.

     

 

 

 

Техническая характеристика:

Производительность, л/час не менее	10000
Температура исходного продукта, С	6…10
Температура пастеризации, С	75…96 (115)
Время выдержки при температуре пастеризации, сек.	До 15
Температура выходящего из установки молока, С	6…8
Электросеть – напряжение, В	220/380
Потребляемая мощность, кВт	6,0
Давление, МПа	0,2…0,4
Температура воды, кратность  подачи	8…10/ 1,5…1,7
Температура рассола, кратность подачи	-3…-5/ 1,0…1,2
Емкость приемного бака - балансера, л	250
Габаритные размеры, мм	3100х2500х2000
Занимаемая площадь, м.кв. не более	8
Масса установки, кг	1400…1540
Система автоматики	пневмоэлектрическая

    Пастеризационно-охладительная установка П8-ОПО-2,5 предназначена для быстрого нагревания  и пастеризации молока (или близким к нему по физическим свойствам продуктов) в закрытом потоке и последующего охлаждения после длительной выдержки. Применяется на предприятиях молочной и пищевой промышленности.

 

 

 

 

 

 

Техническая характеристика:

Производительность, л/час не менее	3000
Температура исходного продукта, С	6
Температура пастеризации, С	70…75
Время выдержки при температуре пастеризации, сек.	20
Температура охлажденного продукта, С	35,4 - 6
Электросеть – напряжение, В	220/380
Потребляемая мощность, кВт	3,5
Габаритные размеры, мм	2500х2000х2300
Масса установки, кг	900
Система автоматики	пневмоэлектрическая
Теплоноситель	Водяной пар
Давление пара на входе в установку, МПа	0,3…0,4
Расход пара, кг/час	50-70
Хладоноситель (от автономного источника – водоохлаждающей машины)	Ледяная вода
Температура на входе в секцию охлаждения, 0С	1-2
кратность подачи	2,0-2,5
Сжатый воздух
Давление, МПа	0,5-0,6
Расход, м3/час	0,5-1,0

    Модели А1-ОКЛ-3, А1-ОКЛ-10, А1-ОПК-5, А1-ОПЛ-10 предназначены для быстрого нагрева молока в тонком слое в закрытом потоке, пастеризации и последующего охлаждения его после кратковременной выдержки при выработке питьевого молока.